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现代分析仪器及其应用发展的六大特点和有关问题

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  由于科学仪器是“四两拨千斤”的产业,发展前景非常广阔。基于它在国家的科技、经济、国防、民生和社会发展中战略地位的重要性,在“农、轻、重、海、陆、空、吃、穿、用”各行各业,无所不在,无所不有。所以,加速科学仪器产业发展已成为世界各国关注的重点之一。本文简单介绍我国科学仪器和应用发展的有关情况。
  一、分析仪器的主要发展趋势和方向(潮流)
  近10多年来,由于纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果、特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等一大批当代最新技术成果竞相问世,使得全球科学仪器领域发生了根本性的变革。
  1、分析仪器发展的趋势(方向):
  目前国际上的科学仪器发展总体上呈现出以下的发展趋势:
  1)检测原子、分子和组份的仪器向多功能、智能化、网络化方向发展;
  2)进行分离、分析的仪器向多维分离和分析方向发展;
  3)生命科学仪器向原位、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性方向发展;
  4)检测复杂组份样品的仪器向联用分析仪器方向发展;
  5)用于环境、能源、农业、食品、临床检验的仪器向专用、小型化方向发展;
  6)样品前处理仪器向专用、快速、自动化方向发展;
  7)用于国防和生命科学的仪器向集成化、微型全分析系统方向发展;
  8)监控工业生产过程的分析仪器向小型化、在线分析、原位分析方向发展。
  2、分析仪器的发展潮流
  微型、微量、快速、专用、在线检测是目前国际上分析仪器的主要发展方向或发展潮流:
  微型:应用需求;便携、占地方小;
  微量:应用需求;兔子耳窝2微升液体要求做一个方法研究;
  快速:应用需求;疾控应急、食物中毒、车载、网络实验室;
  专用:应用需求;流水线、环保、食品;
  在线:自动化仪器发展的需要;特别是水质检测,每年10亿RMB的市场;
  因为研发出的仪器是给使用者用的,所以,分析工作者的需求是:微型、微量、快速、专用、在线;所以,分析仪器的发展方向也是微型、微量、快速、专用、在线。
  这些方向或潮流,是现代分析仪器研发工作者应该重视的问题之一。
  科学仪器是一种高科技产品,它受益于采用各种前沿技术的最新成果,同时也面临各种前沿技术不断地创新和发展的挑战。可以预测,随着信息科学、生命科学、材料科学、能源科学、海洋科学、空间科学、环境科学、民生科学和公共安全科学的发展,以及新技术的不断出现,科学仪器会在微型、微量、快速、专用、在线等方面将不断的创新、不断发展。
  二、分析仪器及其应用发展的特点
  1、分析测试对象发生了战略转移,对分析仪器提出了更高的要求
  众所周知,五十年代以前的分析测试,主要是无机化学领域的定量分析,七十年代前后的分析测试,则以成分分析为主,同时结合结构分析。目前的分析测试,已发生了很大变化,已突破了传统的分析测试专业界限,涉及到现代科学技术的各个领域。
  近几年来,国际上高新技术的发展日新月异,令人眼花缭乱,其中最有代表性、最核心和最能代表未来方向的高新技术有六个方面,它们被科学家们称之为六大技术群,即信息技术群、新材料技术群、新能源技术群、生物技术群、海洋技术群和空间技术群。这六大技术群,都离不开现代分析测试技术。
  1)信息技术群:它是新兴技术群体的核心和先导,是未来世界的中枢神经系统。但信息技术群中所有仪器设备材料的光、机、电、磁学等性能和成分、结构分析测试都离不开现代分析测试仪器;
  2)新材料技术群:它是新兴产业的基础,被称为技术发展的骨骼的肌肉组织,但不论有机材料还是无机材料,其结构分析,特别是微观、亚微观结构分析、功能材料分析、微量杂质含量的分析等,都必须依靠现代分析测试仪器。
  3)新能源技术群:是替代传统石油、煤等燃料能源的途径,是未来社会物质运作的动力源泉,相当人体的心血管系统,但它的每一细小环节,都少不了分析测试。
  4)生物技术群:是前沿科学中的前沿,是利用生物体及其组织和功能的全新领域,开发前景广阔。但生物体及其组织和功能的开发研究、复杂体系的分离、生物大分子的测试、生物活性的测试、空间构象的测试等都必须要有分析测试仪器。
  5)海洋技术群:是充分利用和开发占地球表面71%的海洋和海底资源的现代手段,但海洋和海底物质资源的提纯、分离等,都涉及到现代分析测试仪器。
  6)空间技术群:是当今科技发展的伟大象征,是探索地球、太阳系、银河系、乃至整个宇宙的新起点,但空间技术中的新材料和太空物质资源的开发研究等,都与分析仪器发展密切相关。
  综上所述,纵观当今世界上科技发展的现状和世界分析测试技术发展的历史,人们会深深认识到现代分析测试技术领域已发生了巨大变化,出现了一个明显的特点,那就是分析对象已经发生了战略性的转移,已经从过去的成分分析和一般的结构分析,发展到了趋向于从微观和亚微观结构这两个层次上去寻找物质的功能与物质结构之间的内在关系,寻找物质分子间相互作用的微观反应规律。同时,要求进行快速、准确的定性和定量分析。可以说,分析对象的战略转移对分析仪器的要求进一步提高,或者说分析仪器必须适应分析对象的战略转移,这是现代分析仪器和应用发展的第一个特点。
  2、分析测试技术的难度明显增大,分析仪器必须相适应
  随着现代分析测试对象的战略转移,分析测试研究的深度、广度和难度都发生了很大的变化,特别是当今的分析测试技术的难度,比过去有明显增大。纵观世界上分析测试技术领域的现状,可以明显看出,当今世界上分析测试技术的主要难点集中反映在以下三个方面:第一,大分子的分析测试;第二,复杂体系的分析测试;第三,动态分析测试。
  所谓大分子的分析测试,主要指生物分子的微量提纯和分离、结构的测定(一级、二级、三级结构测定)、表征生物大分子活性的空间构象的测定、细胞的骨架、细胞膜、受体细胞等的测定等等。这些都是当代分析测试技术中的难点。
  所谓复杂体系,主要指材料科学。材料科学本身就是复杂体系,再加上添加剂、辅助剂等就更加复杂。有时只要万分之几或十万分之几的添加剂,就可以改变材料的全部特性,如离子束注射技术就是如此,只需在材料中注入极少量的离子,材料的机械、电子、光学、磁学等特性就会发生极大的变化。例如,目前全世界一致公认,人工心脏瓣膜的最好材料是热解碳,但它有凝血性。热解碳做成的人工心脏瓣膜装入人体后,病人必须长期每天吃药,以使血液流过人的心脏时,不产生血栓,否则会导致生命危险!但吃药后,又有副作用,尤其对有生育能力的人影响极大。为此,我国的科技工作者,用离子束注射热解碳,再用它做成人工心脏瓣膜,就可提高抗凝血性,所以装入人体后,可以不吃药。这是一个有重大意义的课题,但其分析测试工作的难度很大,既要作离子束注射后热解碳的材料分析,又要作动物乃至人体的血液相溶性分析测试,工作量巨大,要求很高;又如无机大分子,有机高分子和簇类物质(原子、分子簇,即人们所讲的纳米材料)的聚合态结构研究,特别是其三维分子结构、低维分子结构、分子取向度、表面结构等的分析测试,都属于材料科学的难点。并且,这些方面的分析测试工作都属于当代材料分析测试技术中的热点。人们正在开展纳米结构半导体发光材料的研究,这是材料科学中一个有重大意义的课题,但其分析测试非常困难。因要寻找晶粒在一定程度上可控的纳米薄膜,以制备高致密度、与衬底有高结合力的纳米晶粒薄膜,故分析测试工作量很大,且难度非常大。这项工作在微电子学中有重大意义。
  还有,现代分析测试技术中,往往要求快速、准确的解决被测对象中某些组分的含量,如钢铁、冶金、机械等行业中最普遍,而又是最重要的C、S、Mn、Si、P等含量的现场、快速、实时的分析测试就是如此,这些实时的现场快速分析测试,也是相当难的。
  所谓动态测试,主要指的是反应动力学。在对亚稳态、分子、离子、自由基等物质的实时分析测试时,全部要求在动态过程中进行。就拿一个简单的化学反应来讲,一般我们知道的是反应后的结果产物,分析测试的也是反应结束后的最终产物。但若要知道反应过程中,任何一个△t时间上的具体细微信息,就相当困难了。如果是一个复杂体系的动态测试,那就更难了。
  综上所述,分析测试的难度明显增大,对分析仪器的要求就会提高。这是现代分析仪器和应用发展的第二个特点。
  3、现代分析测试技术涉及的专业面越来越广
  随着分析对象的战略转移,分析测试技术涉及的专业也发生了变化。因为要寻找物质的功能与物质的结构间的内在关系,要寻找物质分子间相互作用的微观反应规律,要快速、准确的测定成分和结构,首先要解决的就是要得到物质的有关信息。因此,如何获得信息,是解决分析测试问题的首要前提,信息获得就成了分析测试的重要基础。而现代科学仪器是信息的源头,它包含许多基础科学和应用学科方面的内容,包含许多边缘科学、交叉学科、实验技能知识。现代分析测试技术必须依赖于现代科学仪器。分析技术涉及的面越广,对仪器的要求就越高。这是现代分析仪器和应用发展的第三个特点。
  4、要求分析仪器制造者和使用者,越来越重视仪器学理论
  由于分析对象转移、难度增大、涉及的面更广,做仪器和用仪器的人就需要有理论支撑,这个理论就是仪器学理论。仪器学理论是一种综合性学科的理论,是一门涉及到多个领域的、复杂的、交叉的、边缘学科的理论,是涉及到光学、机械学、电子学、计算机、应用等各个领域的理论,特别是现代分析仪器,都离不开这些方面。
  仪器学理论是一切科学仪器研发者、生产者、使用者,是最基本、最重要的理论之一。
  目前,很多仪器设计者没有重视仪器学理论,往往出现数据不准确或发生疑虑时、分析数据与文献值不一致时,大家就不知所措!如:当试样很稀或很浓时,分析误差很大!但是中等浓度时,分析误差就正常,为什么?这个问题很多人不清楚!因为,从仪器学理论来讲,所有根据比耳定律设计的分析仪器,都只能适用于一定浓度;噪声N都是限制被分析样品浓度下限的。根据仪器学的S/N理论:信号S一定,噪声N大,则仪器S/N就小、灵敏度就低。同时仪器的分析测试误差就会大。而杂散光SL是限制被分析样品浓度上限的,试样很浓时,浓度与吸光度不成正比、就偏离比耳定律,分析误差就会很大。如果有人要求用UVS检测0.0004Abs的样品,这是违背仪器学理论的。目前世界上最好的UVS,美国Varian的6000i,其BF(基线平整度,表征仪器全波长范围内的每个波长上的噪声)为± 0.001 Abs,仪器的噪声都比0.0004Abs大几倍,根本不能检测0.0004Abs的样品。所以,懂了一点仪器学理论,你才会知其然,也知其所以然,才会当仪器出现误差大、不稳定、重复性差等问题时,能够解释或顺利解决。所以,越来越需要和重视仪器学理论是现代分析仪器和应用发展的需要,也是现代分析仪器和应用发展的第四个特点。
  5、分析仪器制造者和使用者结合越来越紧密
  分析仪器是给仪器分析工作者使用的,因此仪器分析工作者对分析仪器的要求是“好用”;所谓“好用”,就是分析仪器要稳定可靠;而所谓稳定,就是漂移小、重复性好;所谓可靠,作者在30年前提出,应分为狭义和广义两种。狭义可靠性主要指分析仪器的故障率,它不能全面完整的表达可靠性的内涵。仪器故障不出,但是,分析测试的数据不准,这是最大的不可靠。所以作者提出了广义可靠性的定义,即指分析仪器的可靠性,主要指分析测试数据的准确度高、稳定性好、故障率低和售后服务好。因此,分析仪器的优劣,要在分析测试工作中检验,应由仪器分析工作者来评价。使用者是裁判员,分析仪器的好坏,必须要经过分析测试实际使用的检验后才能下结论!由于许多分析仪器研发、制造工作者,不了解使用者如何使用分析仪器,不了解使用者的思路,导致做仪器和用仪器的人脱节,互不沟通。所以,做出的分析仪器有时不大好用,甚至不好用,这是造成我国分析仪器落后的主要原因之一。所以,分析仪器制造者如果离开使用者,就没有目标。
  一台(或一种)新的分析仪器问世,必定是来自仪器分析工作的需要或仪器分析工作的实践。许多分析仪器都来自应用实践的需求。如:八十年代中期,中科院上海有机化学研究所的知名有机化学家汪猷教授在核酸的研究中发现:五种核苷中有的对UVS有吸收,有的对UVS没有吸收;有的有天然荧光,有的没有天然荧光;国外用HPLC分析测试时,往往用两种检测器(紫外、荧光)串连检测,这样,会使峰形扩散,降低灵敏度。当时,汪猷教授提出,能否研制一种紫外/荧光同时检测(记谱)的HPLC检测器?作者根据他的要求(实践需要),在他的启发下,与他紧密结合,很快发明了一种紫外可见分光光度计和荧光光度计一体化设计、一机两用的多功能新型仪器。它作为HPLC检测器,只需要8微升样品,一次进样,就可得到试样的紫外和荧光两种信息。该仪器大大减少了试样的扩散,具有很高的灵敏度。并且一次进样,可将五种核苷中的发荧光和不发荧光、有紫外吸收和没有紫外吸收的核苷区分开。该仪器1988年获得了国家发明奖,至今还未见国外报道过同类仪器。这就是分析仪器来自分析测试工作实践的一个很好的典型例子。我们的仪器研发人员应该重视研发仪器与使用仪器的关系。要走出去,向用户学习。从他们那里吸取营养、拓宽思路。
  还有,诺贝尔化学奖得主之一是日本岛津公司的田中耕一,他之所以能得诺贝尔化学奖,主要是他提出了“基体辅助激光解吸质谱法”,这是一种对生物分子进行确认和结构分析的新方法。他用激光照射成团的生物大分子,成功的将生物大分子完整地相互分开,并电离,再用飞行时间质谱来测量。这一发明解决了世界上两大难题:第一,解决了成团的生物分子的结构和成份不受破坏地拆成单个分子的难题;第二,解决了用飞行时间质谱来测量分子量大到50-60万的生物大分子的难题。这一发明,使人类可以通过对蛋白质的详细分析,从而加深对生命进程的了解,使新药开发发生了革命性的变化,并在食品控制、癌症的早期诊断等领域有广泛的应用!我们可以设想一下:如果没有先进的激光仪器和先进的飞行时间质谱仪器,田中耕一能发明“MALDI-TOF-MS”方法吗?他能得诺贝尔化学奖吗?回答是不能。
  以上事实,足以说明仪器分析工作者(用仪器)与分析仪器(生产仪器)之间的关系。更能说明分析仪器与仪器分析必须紧密结合、相互沟通、相互促进,这个问题,必须引起广大分析仪器工作者的极大关注。这是当前世界分析仪器和应用发展的显著特点之五。
  6、正在朝着联用技术方向大发展
  联用技术的迅速发展,是当前国际上分析仪器及其应用发展的热门话题之一。很多工作,某一种技术解决不了,但是,两种或多种技术联用就迎而解了。例如:单纯一台薄层扫描仪器或单纯一台拉曼光谱仪器都不能解决的问题,二者联用(薄层扫描仪起分离作用,拉曼光谱仪起检测作用),问题就很容易解决了,这对复杂体系、中药的分析等特别有意义。又如:FIA(流动注射分析)与AAS联用、ICP-MS、LC-MS、GC-MS等等均系如此。所以,联用技术发展,在集成创新方面将有广阔的前景,它是现代分析仪器及其应用发展的显著特点之六。